CN104051589B - 一种横向氧化锌纳米棒阵列发光二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种横向氧化锌纳米棒阵列发光二极管,包括自下而上依次设置的蓝宝石衬底(101)、二氧化硅绝缘层(102)、氮化镓缓冲层(103)，所述氮化镓缓冲层(103)的矩形刻蚀槽一侧边上设置有p区电极(106)，而与该侧边相对的另一侧边上设置有块状n+‑ZnO(104)，所述块状n+‑ZnO(104)上设置有ITO‑ZnO薄膜的n区电极(105)，还包括ZnO纳米棒阵列(107)，所述ZnO纳米棒阵列的两端分别设置有n型区和p型区，同时所述ZnO纳米棒阵列通过p型区、n型区分别与p区电极(106)、块状n+‑ZnO(104)连接,本发明不仅光提取效率高，而且电子的注入效率高同时成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种以横向氧化锌纳米棒阵列结构作为有源发光区结构的LED芯片，本发明属于光电子材料与器件制造领域。
背景技术
近年来，LED作为新型的固体光源，因为其节能、环保、寿命长、高效、体积小、易于和微电子器件集成、易于批量生产、低工作电压等优点而得到广泛关注，在全世界范围内迅速发展并获得广泛应用。
传统的LED通常采用垂直结构，文献：陆大成，段树坤.金属有机物化合物气相外延基础及应用.[M].北京：科学出版社，2009，公开了一种LED结构，其LED结构是通过自下而上生长多层薄膜并根据需要对薄膜进行掺杂的方法得到。如图1所示，在蓝宝石衬底上生长GaN薄膜，分别采用Si和Mg对GaN进行掺杂形成n型区和p型区。用量子阱或超晶格作为有源发光区，能够有效地提高发光效率。但在大注入电流情况下，会出现发光波长的蓝移。解决方法是通过增加量子阱的厚度或量子阱的个数来减小能带填充效应，以此降低光谱蓝移程度，而这势必会大大增加成本。另外，要将LED作为光源使用，LED必须具有高的光提取效率，为此有人采取了在LED芯片顶层制作图形化透明导电材料或表面等离子激元的方法，有效地提高了光提取效率。但这种结构的LED，通常以上表面作为出光区，并且由于p区电极焊接在上表面，覆盖了很大的出光面积，导致有效出光面积减少，降低了光提取效率。目前多数LED采用Ni/Au等合金作为n极电极，其电子的注入效率较低。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种不仅光提取效率高，而且电子的注入效率高同时成本低的具有横向ZnO纳米棒阵列结构的LED。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种横向氧化锌纳米棒阵列发光二极管，包括自下而上依次设置的蓝宝石衬底(101)、二氧化硅绝缘层(102)、氮化镓缓冲层(103)，所述氮化镓缓冲层(103)的中心开设有矩形刻蚀槽，所述矩形刻蚀槽一侧边上设置有p区电极(106)，而与该侧边相对的另一侧边上设置有块状n+-ZnO(104)， 所述块状n+-ZnO(104)上设置有n区电极(105)，且所述n区电极为ITO-ZnO薄膜；还包括ZnO纳米棒阵列(107)，所述ZnO纳米棒阵列的两端分别设置有n型区和p型区，且n型区和p型区分别进行p型、n型掺杂，同时所述ZnO纳米棒阵列通过p型区、n型区分别与p区电极(106)、块状n+-ZnO(104)连接。
优选的：所述n型区采用Al、In或Ga进行掺杂，而所述p型区采用N进行掺杂。
优选的：所述ZnO纳米棒阵列的ZnO纳米棒的个数为3-10个。
优选的：所述ZnO纳米棒阵列由5条ZnO纳米棒构成。
优选的：所述ZnO纳米棒的长度均为10μm，直径均为200nm。
优选的：所述p区电极、n+-ZnO的尺寸均为3.2μm×0.3μm×1.5μm；所述n区电极尺寸为3.2×0.3μm×0.02μm。
优选的：所述ZnO纳米棒阵列间的缝隙宽度大于蓝光的波长。
优选的：所述ZnO纳米棒阵列的缝隙尺寸为500nm。
本发明提供的一种横向氧化锌纳米棒阵列发光二极管，相比现有技术，具有以下有益效果：
1.利用横向ZnO纳米棒阵列作为有源发光区能够改善传统LED出光面积小的不足。载流子的复合光经有源区直接出射避免了因p+半导体层、n+半导体层、缓冲层以及电极层等结构对光的吸收所造成的损耗。并且，由于ZnO纳米棒自身具有良好的光透过率以及良好的载流子导电扩散性，所以具有该结构的LED可以获得很高的光输出功率。另外，以ITO-ZnO薄膜作为n区电极具有很好的欧姆接触特性，能够有效地降低开启电压。这些优点对于制备高功率LED具有重要价值。
2.由于氧化锌(ZnO)具有大的禁带宽度(3.37eV)和大的激子结合能(60meV)，在制作蓝光和紫外波段LED方面具有很大的效果。ZnO纳米棒具有优良的载流子扩散导电性和良好的电子限域性，将其作为LED的有源区可以获得很高的复合发光效率。在光的提取效率方面，本发明所采用的横向ZnO纳米棒阵列结构有源发光区具有很大的有效出光面积，并且ZnO本身对从近紫外波段到红外波段的光具有良好的透过率，因此该结构的LED能够获得很高的光提取效率。本发明将两个电极分别设置于ZnO纳米棒的两端，不会在有源发光区发生电流拥挤现象而降低发光效率。
3.由于所述块状n+-ZnO(104)上设置有n区电极(105)，且所述n区电极为ITO-ZnO薄膜，因此ITO-ZnO薄膜作为电极使用，块状n+-ZnO中的氧原子向ITO-ZnO扩散，增加了电极和n+-ZnO之间的载流子流动，能形成良好的欧姆接触。因而其电阻率很低，因此具有良好的电流注入效率。
4.由于设置有ZnO纳米棒阵列，横向ZnO纳米棒阵列作为有源发光区使用能够使出光面积得到最大程度的利用，因为光线从ZnO纳米棒直接射出，避免了传统LED有源发光区的光线因穿过多层膜以及覆盖其上的金属电极层被部分吸收而造成的能量损失。并且ZnO本身对于紫外及蓝光都有良好的透过率，使得以横向ZnO纳米棒阵列作有源发光区的LED能够获得极高的光提取效率。而从有源区向下射出的光经二氧化硅绝缘层反射后会从ZnO纳米棒阵列的缝隙射出。
5.由于以ZnO纳米棒阵列作为有源发光区替代传统的薄膜异质结有源发光区，能够获得很高的载流子复合效率，同时采用横向ZnO纳米棒阵列结构大大增加了LED的有效出光面积，加上ZnO材料本身对从近紫外到红外波段的光具有良好的透过率，能够有效地改善传统垂直结构的LED光提取效率低下的不足。
6.用ITO-ZnO薄膜代替Ni/Au合金作为电极材料，可有效地改善欧姆接触，进一步提高LED的发光效率。
7.由于ZnO纳米棒阵列间的缝隙宽度大于蓝光的波长，因此能够避免发生衍射现象。
8.由于纳米棒阵列的缝隙尺寸为500nm，因此一方面其能够有效的避免发生衍射现象，另一方面能够兼顾LED芯片的尺寸不能太大。
综上所述，本发明以ZnO纳米棒阵列作为有源发光区替代传统的薄膜异质结有源发光区，能够获得很高的载流子复合效率。用ITO-ZnO薄膜代替Ni/Au合金作为电极材料，可有效地改善欧姆接触，进一步提高LED的发光效率。而且，本发明所采用的横向ZnO纳米棒阵列结构大大增加了LED的有效出光面积，加上ZnO材料本身对从近紫外到红外波段的光具有良好的透过率，能够有效地改善传统垂直结构的LED光提取效率低下的不足。因此本发明不仅光提取效率高，而且电子的注入效率高同时成本低。
附图说明
图1为现有技术制备的蓝宝石衬底GaN基LED的剖面图。
图2为本发明提供的一种具有横向ZnO纳米棒阵列结构的LED的俯视图。
图3为本发明提供的一种具有横向ZnO纳米棒阵列结构的LED的剖面图。
其中，101为蓝宝石衬底，102为二氧化硅绝缘层，103为氮化镓缓冲层，104为块状n+-ZnO，105为n区电极，106为p区电极，107为ZnO纳米棒阵列，110为蓝宝石衬底，111为n型GaN，112为n区电极，113为量子阱，114为p型GaN，115为透明导电材料，116为p区电极。
具体实施方式
为了使本发明所阐述的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的说明。应当理解，此处所描述的实施例仅用于具体解释本发明，而并不用于限定本发明权利要求的范畴。
如图2、3所示为一种横向氧化锌纳米棒阵列发光二极管，包括自下而上依次设置的蓝宝石衬底(101)、二氧化硅绝缘层(102)、氮化镓缓冲层(103)，所述氮化镓缓冲层(103)的中心开设有矩形刻蚀槽，所述矩形刻蚀槽一侧边上设置有p区电极(106)，而与该侧边相对的另一侧边上设置有块状n+-ZnO(104)，所述块状n+-ZnO(104)上设置有n区电极(105)，且所述n区电极为ITO-ZnO薄膜；还包括ZnO纳米棒阵列(107)，所述ZnO纳米棒阵列的两端分别设置有n型区和p型区，且n型区和p型区分别进行p型、n型掺杂，同时所述ZnO纳米棒阵列通过p型区、n型区分别与p区电极(106)、块状n+-ZnO(104)连接。
所述的n型区采用Al、In或Ga进行掺杂，而所述p型区采用N进行掺杂。
所述ZnO纳米棒阵列的ZnO纳米棒的个数为3-10个。
所述ZnO纳米棒阵列由5条ZnO纳米棒构成。
所述ZnO纳米棒的长度均为10μm，直径均为200nm。
所述p区电极、n+-ZnO的尺寸均为3.2μm×0.3μm×1.5μm；所述n区电极尺寸为3.2×0.3μm×0.02μm。
实例
一种具有横向ZnO纳米棒阵列结构的LED，其构成要素包括：蓝宝石衬底(101)、二氧化硅绝缘层(102)、氮化镓缓冲层(103)、p区电极(106)、块状n+-ZnO(104)、p区电极和块状n+-ZnO之间的ZnO纳米棒阵列(107)、n+-ZnO上作为n区电极的ITO-ZnO 薄膜(105)。
其中ZnO纳米棒采用高温热蒸镀方法得到，然后将其等间距制备在由p区电极和n+-ZnO构筑的两个台子之间，再采用聚焦离子束法把纳米棒两端修整成规则的形状。
ZnO材料具有很宽的禁带宽度和很高的激子结合能，并具有良好的化学稳定性和抗氧化、耐潮、耐高温性能，适于制作紫外和蓝光LED。通过调节块状n+-ZnO和ZnO纳米棒n极的Ga掺杂量、ZnO纳米棒P极的N掺杂量对光的波长进行调控。而且，ZnO纳米棒具有良好的载流子扩散导电性，有利于载流子的复合。另外，由于ZnO纳米棒是一维结构，能够将载流子的活动有效地限制在电场方向，加上ZnO良好的导电性，使其在作为有源区使用时具有很高的载流子复合效率。ITO-ZnO薄膜作为电极使用，块状n+-ZnO中的氧原子向ITO-ZnO扩散，增加了电极和n+-ZnO之间的载流子流动，能形成良好的欧姆接触。横向ZnO纳米棒阵列作为有源发光区使用能够使出光面积得到最大程度的利用，因为光线从ZnO纳米棒直接射出，避免了传统LED有源发光区的光线因穿过多层膜以及覆盖其上的金属电极层被部分吸收而造成的能量损失。并且ZnO本身对于紫外及蓝光都有良好的透过率，使得以横向ZnO纳米棒阵列作有源发光区的LED能够获得极高的光提取效率。而从有源区向下射出的光经二氧化硅绝缘层反射后会从ZnO纳米棒阵列的缝隙射出。为了避免发生衍射现象，需要使ZnO纳米棒阵列间的缝隙宽度大于蓝光的波长，因此缝隙的尺寸必须在450nm以上。又考虑到LED芯片的尺寸不能太大，故一般将ZnO纳米棒阵列的缝隙尺寸定为500nm左右。
如参考图2所示，本发明所提供的LED芯片结构包括：蓝宝石衬底(101)、二氧化硅绝缘层(102)、氮化镓缓冲层(103)、p区电极(106)、块状n+-ZnO(104)、p区电极和块状n+-ZnO之间的ZnO纳米棒阵列(107)、n+-ZnO上作为n区电极的ITO-ZnO薄膜(105)。其中对两端分别进行了p型和n型掺杂的ZnO纳米棒阵列置于p区电极和块状n+-ZnO之间构成图1中所示的横向有源发光区。
图3为具有横向ZnO纳米棒阵列结构的LED芯片的剖面图。自下而上依次为蓝宝石衬底(101)、二氧化硅绝缘层(102)、氮化镓缓冲层(103)、p区电极(106)、块状n+-ZnO(104)、ZnO纳米棒阵列(107)、n区电极(105)。
作为一种具体的实施例，图1中的ZnO纳米棒阵列由5条ZnO纳米棒构成。当然，本发明的ZnO纳米棒阵列并不局限于此，本领域的技术人员可根据需要设置ZnO纳米棒的数量。优选的，所述的ZnO纳米棒的个数为3-10个，这样可以在工艺难度较低的情况下增加载流子的通道数量，获得较高的载流子复合效率。
优选的，所述ZnO纳米棒的长度均为10μm，直径均为200nm，具有良好的载流子限域性，可有效地提高载流子复合效率。
ZnO纳米棒的n型区和p型区分别采用Ga和N进行掺杂，所获得的电子和空穴浓度分别可以达到1×1021cm-3和4×1019cm-3。为满足实现不同波长的需求，还可以分别采用Al、In对纳米棒的n型区进行掺杂。
本实例所提供的横向ZnO纳米棒阵列LED的p区电极和n+-ZnO的尺寸均为3.2μm×0.3μm×1.5μm。采用该尺寸能够保证纳米棒之间的间隙不小于500nm，使得原本向下出射，但又经二氧化硅绝缘层反射回来的光线经过ZnO纳米棒阵列的缝隙时发生衍射的程度较小。并且，由于此时p区电极能够较好地覆盖ZnO纳米棒，技术人员可以根据对电阻率要求的不同，对该尺寸进行调整。n区电极尺寸为3.2×0.3μm×0.02μm，即只在厚度上与n+-ZnO不同。
针对以上问题，本发明提出了一种具有横向氧化锌纳米棒阵列结构的LED。氧化锌(ZnO)具有大的禁带宽度(3.37eV)和大的激子结合能(60meV)，在制作蓝光和紫外波段LED方面极具潜力。ZnO纳米棒具有优良的载流子扩散导电性和良好的电子限域性，将其作为LED的有源区可以获得很高的复合发光效率。在光的提取效率方面，本发明所采用的横向ZnO纳米棒阵列结构有源发光区具有很大的有效出光面积，并且ZnO本身对从近紫外波段到红外波段的光具有良好的透过率，因此该结构的LED能够获得很高的光提取效率。本发明将两个电极分别设置于ZnO纳米棒的两端，不会在有源发光区发生电流拥挤现象而降低发光效率，传统LED的发光效率在30％左右，而本发明提供的LED发光效率高达85％以上。且n区电极采用ITO-ZnO薄膜材料，和位于其下方的块状n+-ZnO之间具有良好的欧姆接触，电阻率很低，具有良好的电流注入效率，传统的LEDn极的电子浓度在1019cm-3左右，本发明提供的LED电流注入效率高达1×1021cm-3。
如下表所示：为本发明提供的LED光提取效率与垂直结构LED光提取效率：
由上表所示，本发明的本发明提供的LED光提取效率远高于垂直结构LED光提取效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种横向氧化锌纳米棒阵列发光二极管，其特征在于：包括自下而上依次设置的蓝宝石衬底(101)、二氧化硅绝缘层(102)、氮化镓缓冲层(103)，所述氮化镓缓冲层(103)的中心开设有矩形刻蚀槽，所述矩形刻蚀槽一侧边上设置有p区电极(106)，而与该侧边相对的另一侧边上设置有块状n+-ZnO(104)，所述块状n+-ZnO(104)上设置有n区电极(105)，且所述n区电极为ITO-ZnO薄膜；还包括ZnO纳米棒阵列(107)，所述ZnO纳米棒阵列的两端分别设置有n型区和p型区，且n型区和p型区分别进行p型、n型掺杂，同时所述ZnO纳米棒阵列通过p型区、n型区分别与p区电极(106)、块状n+-ZnO(104)连接。
2.根据权利要求1所述的横向氧化锌纳米棒阵列发光二极管，其特征在于：所述n型区采用Al、In或Ga进行掺杂，而所述p型区采用N进行掺杂。
3.根据权利要求2所述的横向氧化锌纳米棒阵列发光二极管，其特征在于：所述ZnO纳米棒阵列的ZnO纳米棒的个数为3-10个。
4.根据权利要求3所述的横向氧化锌纳米棒阵列发光二极管，其特征在于：所述ZnO纳米棒阵列由5条ZnO纳米棒构成。
5.根据权利要求4所述的横向氧化锌纳米棒阵列发光二极管，其特征在于：所述ZnO纳米棒的长度均为10μm，直径均为200nm。
6.根据权利要求5所述的横向氧化锌纳米棒阵列发光二极管，其特征在于：所述p区电极、n+-ZnO的尺寸均为3.2μm×0.3μm×1.5μm；所述n区电极尺寸为3.2×0.3μm×0.02μm。
7.根据权利要求5所述的横向氧化锌纳米棒阵列发光二极管，其特征在于：所述ZnO纳米棒阵列间的缝隙宽度大于蓝光的波长。
8.根据权利要求5所述的横向氧化锌纳米棒阵列发光二极管，其特征在于：所述ZnO纳米棒阵列的缝隙尺寸为500nm。
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